Fase III. Definición y validación del perfil de competencias digitales de los profesores
Proceso 2. Análisis de consistencia interna y validación de constructo del perfil e indicadores de la CoDigPro
O bom funcionamento do sistema de monitoração desenvolvido para o prédio do Laboratório de Energias Renováveis e Eficiência Energética do Grupo de Estudos e Desenvolvimento de Alternativas Energéticas (GEDAE) depende de alguns aspectos como: a operação contínua do sistema de aquisição de dados, minimizando a quantidade de períodos sem medição; coleta de dados confiáveis, evitando-se erros durante a coleta e o armazenamento; e, além disso, tornar o acesso aos dados prático, facilitando a iteração do usuário com as medições. Além dos aspectos comentados anteriormente, também é importante prever a possibilidade de expansão do sistema de monitoração sem que sejam necessárias, ou com poucas, modificações nos códigos fontes dos programas criados.
O estabelecimento de procedimentos padrão e estratégias para a operação do sistema de monitoração da edificação é essencial para flexibilizar o funcionamento do mesmo. A adoção de convenções para o armazenamento das medições e modularidade na programação dos códigos entre as etapas da aquisição dos dados facilita o desenvolvimento de um sistema expansível. Neste capítulo são apresentados os procedimentos utilizados pelo sistema de monitoração para a aquisição e armazenamento dos dados coletados.
2.1 – Partes do sistema de monitoração
A estratégia básica do sistema de monitoração é apresentada no esquema da figura 2.1, e consiste em três etapas principais: a aquisição dos dados por redes industriais (redes que utilizam padrões e protocolos comumente encontrados na indústria) e o armazenamento local dos dados; o armazenamento dos dados em um servidor na internet; e a sua apresentação em interfaces desenvolvidas para acompanhamento das medições ou em relatórios personalizados pelo usuário. A separação em etapas visa à criação de um sistema de monitoração modular, onde modificações em uma das etapas não provoquem alterações nas outras duas, desde que sejam mantidos os padrões de entradas e saídas de cada estágio.
23 Rede 1 Rede 2 Rede n Servidor na Internet Download e apresentação dos dados Relatórios personalizados
Aquisição dos dados Armazenamento e
unificação dos dados Visualização dos dados
Figura 2.1 – Estratégia de monitoração.
O primeiro estágio consiste principalmente na coleta dos dados medidos pelos transdutores ligados à rede de monitoração. Para a aquisição dos dados são utilizadas redes industriais controladas por um computador. Nestas redes estão conectados os instrumentos de medição, os quais são gerenciados pelo computador. O computador também é o responsável pelo armazenamento dos dados coletados em seu disco rígido e pelo envio desses dados para um servidor na internet.
O segundo estágio consiste no armazenamento dos dados coletados em um servidor na internet. O servidor possui, atualmente, a função de unificação da base de dados, facilitando a consulta às medições monitoradas na edificação. Além disso, o armazenamento em um servidor na internet facilita o acesso a esses dados e aumenta a praticidade do sistema de monitoração, permitindo ao usuário acessar a base de dados de qualquer lugar com conexão à internet. Futuramente objetiva-se também a apresentação dos dados na forma de gráficos, por exemplo, utilizando o próprio browser de navegação na internet.
O terceiro estágio consiste na visualização dos dados coletados. Nele está inclusa a geração de relatórios personalizados pelo usuário com as medições, e também
24 foi desenvolvido um programa para fazer o download e a apresentação das variáveis monitoradas até o momento do último envio pelas redes de monitoração para o servidor. Os estágios de apresentação dos dados são apresentados no capítulo 3.
Os programas que coordenam o sistema de monitoração (coleta de dados, controle das redes, apresentação dos dados e análise dos dados) foram desenvolvidos em ambiente LabVIEW (National Instruments), devido às vantagens de criação de interfaces para aquisição , tratamento e visualização de dados, possuindo uma grande quantidade de ferramentas para tal fim.
2.2 – Aquisição e armazenamento dos dados
A aquisição e armazenamento dos dados monitorados passam por vários estágios. A seguir são comentados os procedimentos e padrões utilizados em cada um deles.
2.2.1 – A rede industrial utilizada
Para que seja efetivada a comunicação entre os diferentes equipamentos que fazem a aquisição dos dados e o computador é necessário que haja uma interface (meio físico) e, também, os dados a serem transmitidos devem estar em um formato padrão (protocolo), que o computador possa reconhecer. A utilização desses padrões de comunicação viabiliza que transdutores, sistema de condicionamento, hardware de aquisição e software de fabricantes distintos possam estabelecer comunicação.
No laboratório, a topologia física utilizada é a de barramento. Nesta topologia, todos os equipamentos são ligados diretamente em um mesmo barramento de dados, e apenas uma máquina ou instrumento pode utilizar o barramento em um dado momento. O sinal gerado propaga-se ao longo de todo o barramento. Assim, quando um equipamento estiver transmitindo um sinal, toda a rede fica ocupada e o sinal chega a todos os instrumentos; entretanto, apenas o destinatário o receberá. O destinatário é distinguido pelo endereço que ocupa na rede. Caso dois equipamentos tentem utilizar o barramento simultaneamente, ocorre uma colisão (data crash) e, neste caso, o dispositivo mestre que gerencia a rede tentará reiniciar a comunicação com o dispositivo escravo, para que a transmissão de dados seja realizada sem erros.
25 A transmissão dos dados é sequencial, na rede montada no laboratório, utilizando o padrão RS (Recomended Standard) 485, para especificar as características elétricas e operacionais da rede industrial, tipo half-duplex, ou seja, permite transmissão e recepção por todos os elementos da rede, porém em intervalos de tempo distintos, pois os elementos utilizam o mesmo canal para transmissão dos dados. A figura 2.2 apresenta um esquema das redes instaladas no Laboratório. Entretanto, como objetiva-se a unificação dos dados em um servidor remoto, outras topologias e/ou outros protocolos podem ser utilizados, desde que mantenham o mesmo padrão de formatação dos dados convencionado quando do envio para o servidor.
Internet
Transdutor 1 Módulo de I/O ... Módulo de I/O Computador Local 88888 88888 88888 Transdutor 2 88888 88888 88888 RS 485/USB Transdutores de temperatura, umidade, iluminância, etc. Transdutores de temperatura, umidade, iluminância, etc.
Figura 2.2 – Esquema da rede em barramento instalada no laboratório.
No esquema apresentado na figura 2.2, o computador local atua no gerenciamento da rede. Sua função consiste em ordenar qual unidade de carga utiliza o barramento em determinado momento, e também o tempo necessário para tal equipamento realizar sua comunicação.
O protocolo de comunicação utilizado pela rede industrial para formatação dos dados enviados pelos equipamentos de medição é o Modbus, devido à grande difusão que este protocolo possui, sendo utilizado em produtos de diferentes fabricantes. Desta forma, o sistema de monitoração não fica restrito a um único fabricante, podendo utilizar os equipamentos mais apropriados, aumentando sua flexibilidade. Cabe ressaltar, todavia, que a utilização de componentes de diferentes fabricantes torna a
26 comunicação entre os equipamentos um pouco mais difícil, pois normalmente não há
drivers prontos que abstraiam do usuário as complexidades de estabelecimento da
comunicação.
2.2.2 – Configuração do período de aquisição
Como a topologia física utilizada é o barramento, deve-se evitar que dois componentes da rede tentem utilizá-lo simultaneamente. Por esta razão, o tempo disponibilizado para cada equipamento utilizar o barramento de transmissão deve ser estimado, levando em consideração aspectos como a distância física entre a unidade de carga e o computador, o número de registros a serem lidos em cada equipamento, o tempo necessário para processamentos internos, dentre outros fatores. Algumas das informações necessárias à estimativa do intervalo de tempo adequado podem ser encontradas nos manuais dos equipamentos ou contatando os fabricantes para informações mais específicas.
A distância física limita a taxa de transmissão de dados, devido à atenuação sofrida por estes últimos durante o processo de envio. O padrão RS 485 especifica um comprimento máximo de 1.200 metros para os cabos de comunicação. A velocidade máxima de comunicação (em bits por segundo – bps) depende de características dos equipamentos instalados, da capacitância dos cabos de comunicação e dos resistores de terminação instalados. Como regra geral, quanto mais longos os cabos, menor deve ser a velocidade de comunicação. A figura 2.3 mostra a relação entre o comprimento da rede e a velocidade de comunicação (KRON MEDIDORES, 2008).
Figura 2.3 – Decaimento da velocidade de comunicação com o comprimento (adaptado de KRON MEDIDORES, 2008).
27 O tempo necessário para os processamentos internos dos equipamentos é também de grande importância, para se evitarem colisões de dados em redes seriais
half-duplex. No manual do equipamento, o fabricante informa geralmente o tempo
necessário para a leitura de um registro e também o tempo necessário para processamentos internos. Assim, pode-se estimar o tempo necessário para a leitura de determinado equipamento de acordo com a equação 2.1:
onde é o tempo de leitura necessário para o equipamento , é o tempo de processamento interno do equipamento , é o número de registros lidos no equipamento , e é o tempo necessário para a leitura de um registro do equipamento . Desta forma, o tempo necessário para leitura de todos os equipamentos é dado pela equação 2.2:
∑
onde corresponde ao tempo de leitura mínimo para toda a rede. Assim, para evitar colisões no barramento, estas duas condições devem ser satisfeitas: o tempo para a leitura de todos os equipamentos da rede deve ser maior que e o tempo disponibilizado para a leitura de determinado equipamento deve ser maior que o seu respectivo .
Os aspectos considerados até agora para estabelecer os tempos necessários à comunicação são aqueles que consideram simplesmente a capacidade computacional dos componentes da rede. Ressalta-se, contudo, que a natureza do fenômeno físico medido e a própria característica do protocolo Modbus podem influenciar no tempo considerado para coleta das medições.
Algumas variáveis podem apresentar variações significativas em seu valor, mais rapidamente que outros e, consequentemente, precisam de um tempo menor entre leituras consecutivas da mesma grandeza, para o cálculo de médias mais exatas. Neste caso, o usuário da rede pode considerar tempos variáveis entre leituras consecutivas de determinada variável, em vez de um tempo fixo para leitura de todas as variáveis da rede. Ademais, quando uma rede possui muitos equipamentos, o tempo necessário para
28 leitura de todos eles pode ser muito grande para alguma das grandezas monitoradas. Assim, pode-se considerar também a leitura dos registros de determinados equipamentos mais frequentes do que de outros.
O padrão de leitura dos dados estabelecido pelo protocolo Modbus também é outro ponto a ser considerado. O Modbus estabelece que vários registros podem ser lidos com apenas uma requisição por parte do mestre da rede, neste caso o computador. Entretanto, esses vários registros são posições de memória contíguas. Podem acontecer casos nos quais é melhor realizar várias leituras nos equipamentos a realizar apenas uma leitura que contenha muitos registros que não são de interesse ao usuário do sistema de monitoração.
2.2.3 – Convenções utilizadas para monitoração do Laboratório
De modo a tornar o sistema de monitoração expansível, algumas convenções foram adotadas para o estabelecimento de um padrão de armazenamento em todas as medições existentes, e também para aquelas que possam vir a serem inseridas futuramente. Os padrões foram estabelecidos para aspectos como o nome dos arquivos de medição, a formatação desses arquivos, o período de integralização, o armazenamento local e o armazenamento remoto. Estes padrões permitem que as ferramentas destinadas a análise e apresentação dos dados funcionem adequadamente, sem a necessidade de modificação no código fonte dos programas criados.
2.2.4 – Nome dos arquivos
O nome do arquivo é parcialmente configurável, pois é composto de uma parte que pode ser configurada pelo usuário e outra contendo a data referente àqueles dados coletados e armazenados, inserida automaticamente pelo programa no início do nome arquivo e escrita na seguinte ordem: ano, mês e dia. A data do nome dos arquivos apresentada dessa forma facilita a organização em ordem cronológica no diretório dos computadores. A parte configurável do arquivo é chamada de Nome Base e pode ser constituída por caracteres alfanuméricos. O nome completo do arquivo de medição é, então, montado da seguinte maneira: ANO_MES_DIA_NOME BASE.txt.
Os nomes dos arquivos de medição, uma vez convencionados, não devem ser modificados, pois esses nomes são utilizados como referência pelo programa de geração
29 de relatórios para criação de relatórios de períodos de medição e também para a associação dos gráficos esboçados aos respectivos arquivos de medição.
2.2.5 – Arquivos de medição
Os arquivos de medição são armazenados em arquivos de texto, separados por tabulação, de maneira a não atrelar somente sua leitura e utilização ao programa de geração de relatórios desenvolvido para análise dos mesmos, podendo também ser visualizados com outros programas disponíveis. Entretanto, o programa de geração de relatórios possui uma série de recursos para a utilização mais rápida desses dados.
Os arquivos de medição possuem uma formatação padrão. Esta formatação é importante para que esses dados possam ser lidos posteriormente pelas ferramentas de análise de maneira adequada. A formatação padrão do arquivo de medição é apresentada na tabela 2.1 e um exemplo de arquivo de medição é apresentado na figura 2.5.
Tabela 2.1 – Padrão de formatação do arquivo de medição.
Nome da medição
Número de série (NS)
Data Hora Variável Variável Variável ... Variável Dia/Mês/Ano HH:MM:SS valor valor valor ... valor Dia/Mês/Ano HH:MM:SS valor valor valor ... valor Dia/Mês/Ano HH:MM:SS valor valor valor ... valor
: : : : : : :
Dia/Mês/Ano HH:MM:SS valor valor valor ... valor
30 A formatação dos arquivos de medições sempre possuem o mesmo padrão, independentemente da natureza da grandeza escrita. As três primeiras linhas são o cabeçalho do arquivo, constituído pelo nome da medição, o número de série do equipamento de aquisição de dados e o nome das variáveis emtodas as colunas contidas no arquivo.
O tempo de medição contido em um arquivo é de um dia, com dados registrados (integralizados) de cinco em cinco minutos (período convencionado pelo laboratório, porém configurável). O arquivo é dividido em colunas, onde as duas primeiras são sempre a data e a hora da aquisição, respectivamente. As outras colunas são formadas pelas diversas variáveis monitoradas.
2.2.6 – Armazenamento dos arquivos
A organização dos arquivos de medição em pastas também é parcialmente configurável. O usuário pode configurar o caminho e o nome da pasta onde serão alocados os arquivos de dados. O nome desta pasta é chamado de Nome da Medição. Dentro desta pasta, o programa de aquisição de dados organiza automaticamente os arquivos de medição em pastas de ano e mês, para facilitar a procura de determinado arquivo. Nas pastas dos meses, encontram-se os arquivos diários.
Um esquema da organização dos arquivos de medição é apresentado na figura 2.5. O esquema de organização dos arquivos de medição apresentado é válido tanto para o armazenamento realizado no disco do computador que coleta os dados quanto no servidor na internet.
Med 1
2011 2012
Janeiro Dezembro Janeiro Dezembro
...
...
Med 2
2011 2012
Janeiro Dezembro Janeiro Dezembro
...
...
Arquivos diários medição 1 Arquivos diários medição 2 Figura 2.5 – Organização dos arquivos.
31 2.2.7 – O módulo de aquisição de dados
O módulo de aquisição de dados é o responsável por controlar as redes de equipamentos instaladas nas salas do Laboratório, e não possui interface visual, sendo utilizado em conjunto com um módulo de apresentação de dados. Este programa é responsável pela coleta dos dados, cálculo de médias, integralização dos dados, verificação de possíveis erros, armazenamento dos dados coletados no disco rígido do computador onde ele está sendo executado, e comunicação com o programa que realiza a transferência de arquivos e o armazenamento no servidor na internet. Um esquema simplificado das tarefas desempenhadas pelo programa de aquisição de dados é apresentado na figura 2.6 Coleta de dados Integralização dos dados Armazenamento dos dados em arquivos de texto Carregamento do programa de envio de dados para Internet
Figura 2.6 – Estrutura básica do módulo de aquisição de dados.
A primeira etapa da execução do programa consiste na aquisição de dados. O programa realiza uma varredura pelos equipamentos conectados à rede, para coleta dos valores contidos nos registradores destes últimos. Os valores coletados são armazenados na memória do computador para o cálculo de médias a cada minuto. O intervalo de
32 tempo necessário para que se realize uma varredura completa na rede industrial depende dos fatores comentados anteriormente. Nos sistemas instalados no laboratório utilizam- se cinco segundos para a aquisição das variáveis do quadro geral de distribuição de energia elétrica e dois segundos para aquisição dos valores de umidade relativa e temperatura de uma das salas da edificação.
O processo descrito anteriormente é realizado cinco vezes, ou seja, obtêm-se os valores médios para cada minuto e calcula-se um valor médio para determinada variável em cinco minutos. Esta média dos cinco minutos é gravada no arquivo de medições armazenado no disco rígido do computador.
Para realizar a comunicação entre os equipamentos, o usuário deve configurar os parâmetros necessários especificados pelo protocolo utilizado. Os parâmetros a serem configurados são: endereço, comando modbus, endereço dos registradores a serem lidos e o modo de comunicação.
Ressalta-se, contudo, que a comunicação com determinados elementos da rede algumas vezes requer procedimentos mais complexos. Por conseguinte, a estrutura básica dos programas de aquisição de dados pode sofrer algumas alterações, decorrentes da utilização de equipamentos de diferentes fabricantes.
Alguns fabricantes possuem uma maneira própria para informar os dados contidos nos registradores dos seus produtos e, em decorrência disto, a inserção de novos equipamentos de medição na rede pode necessitar de modificações no código fonte do programa de aquisição de dados, pois tais procedimentos são difíceis de serem contabilizados antecipadamente.
Após a etapa de coleta de dados, o programa passa para a fase de seu armazenamento nos arquivos de medição. Antes de registrar os valores, contudo, é realizada uma verificação de existência dos diretórios onde deve ser feito o armazenamento. Caso os diretórios existam, o programa verifica a existência do arquivo de medições referente àquele dia. Caso este também exista, o programa simplesmente insere as medições no arquivo. Caso alguma das pastas ou o arquivo de medição não existam, o programa de aquisição os criará automaticamente.
Após o armazenamento das medições, o programa principal de aquisição de dados carrega o programa auxiliar para realização do envio das medições para um
33 servidor remoto. O programa de envio é executado simultaneamente ao programa principal de aquisição de dados, porém possui funcionamento intermitente. Este módulo é apresentado com maiores detalhes posteriormente neste capítulo.
2.2.8 – Verificação da integridade dos dados
Como a topologia utilizada para as redes de equipamentos é o barramento, deve-se considerar a possibilidade de colisão de dados. Este fator pode corromper os valores médios integralizados pelo programa de aquisição de dados, pela inserção ou falta de valores que prejudicam os cálculos das médias.
Por padrão, o LabVIEW insere o valor zero quando ocorre uma colisão de dados no barramento e consequente falha de comunicação. Então, o programa, antes de calcular as médias de cada minuto, realiza uma verificação no conjunto de valores, à procura de dados suspeitos de serem provenientes de colisões no barramento, para diminuir a probabilidade de dados integralizados corrompidos.
Primeiramente é realizada uma varredura pelo conjunto de valores, à procura de dados iguais a zero. Quando um zero é encontrado, o programa verifica os três valores seguintes. Caso os seguintes sejam diferentes de zero, o programa irá descartar o valor zero encontrado, pois o considerará como proveniente de uma colisão de dados. Caso os valores seguintes sejam iguais a zero, o programa não descartará nenhum valor e todos irão compor a média aritmética do minuto. A seguir são apresentados exemplos para três situações possíveis de ocorrer. Ressalta-se que para o caso de haver mais de quatro colisões subsequentes, o programa registraria um valor igual a zero, o que, levaria a um cálculo errado da média de cinco minutos. Entretanto, foi verificado, por meio de análise nos dados, que estes pareciam ser mais consistentes após a aplicação desse método de busca por possíveis erros na rede.
No exemplo da figura 2.7, são apresentados valores hipotéticos de tensão fase-neutro. O conjunto de valores apresenta dois valores iguais a zero, não consecutivos. Neste caso, o programa iria proceder da seguinte maneira: os valores